无刷直流电动机控制系统硬件设计
无刷直流电动机控制系统硬件设计[20200419154328]
摘 要
本文首先介绍了无刷直流电机的研究情况及发展趋势,对BLDCM的工作原理做了详尽剖析,且在此基础上介绍了无位置传感器无刷直流电机的转子位置检测方法,并对反电动势检测法做了详细介绍。其次,本文对无刷直流电机常见的两种反电动势控制法进行了比较,结合它们设计的特点，设计了本系统的反电势过零检测电路。该方法将检测到的位置信号传递给DSP，控制器将处理后的信号传递给驱动芯片,实现对电子开关电路的控制，从而控制电机的运行。其次,本文设计了以 DSP2812 为核心,由功率驱动电路、电源电路、外部存储器电路、I/O 接口驱动电路、反电动势检测电路、显示电路、保护电路等组成的系统硬件电路，并在此基础上完成了PCB印刷板的设计。最后，根据无刷直流电机的控制系统原理图，进行MATLAB的仿真，对控制系统的性能进行验证。
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关键字:DSP无刷直流电机反电势检测无位置传感器
目 录
1 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2 国内外相关情况研究综述 1
1.2.1 有位置传感器的控制方法 2
1.2.2 无位置传感器的控制方法 2
1.2.3 有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式的比较 4
1.3 论文主要内容及结构安排 4
2无刷直流电机的工作原理和数学模型 6
2.1 无刷直流电机的基本结构 6
2.2 无刷直流电机工作原理 7
2.3 无刷直流电机数学模型 9
2.4 本章小结 11
3无位置传感器反电势过零点检测电路设计 12
3.1 反电势过零检测电路的一般设计方法 12
3.2 反电势过零检测方法分析对比 12
3.3 反电势过零检测电路的设计 14
3.4 本章小结 15
4 控制系统硬件设计 16
4.1 整体控制方案概述 16
4.2 DSP芯片的选型及基本外围电路设计 16
4.2.1 DSP芯片的选型 16
4.2 控制系统基本外围电路设计 18
4.2.1 电源电路的设计 18
4.2.2 时钟电路的设计 18
4.2.3 复位电路的设计 19
4.2.4 JTAG接口电路的设计 19
4.2.5 外扩存储电路的设计 20
4.3主电路的设计 21
4.3.1 MOSFET功率管的选择 21
4.3.2 逆变电路设计 22
4.3.3 驱动芯片的选型 23
4.3.4 驱动电路的设计 24
4.4 显示电路的设计 25
4.4.1 显示驱动芯片的选择 25
4.4.2 显示电路的设计 26
4.5 串口通信电路的设计 27
4.6 保护电路的设计 27
4.7 本章小结 28
5 控制系统仿真 29
5.1 仿真工具简介 29
5.2 控制系统的仿真模型 29
5.2.1 电机本体模型 31
5.2.2 逆变电路模型 31
5.2.3 PWM驱动模型 31
5.2.4 反电动势模型 32
5.3仿真结果与分析 32
5.4 本章小结 34
6 全文总结 35
参考文献 36
附录1 控制系统原理图 37
附录2 控制系统PCB板 41
致谢 43
1 绪论
随着时代的变迁，科技的发展，功率半导体技术和高性能磁性材料制造技术的应用，使直流电机成功的实现了从有刷到无刷的跨越。无刷电机不仅保留了直流电机的长处，还兼具交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等特点。此后，无刷直流电机以惊人的速度得到发展和推广。自从1962年以来，特别是近二十年的发展，无刷直流电动机已广泛应用于计算机外围设备（如软盘，硬盘，光盘等）、办公设备（打印机，复印机，扫描仪等）、家用电器（如空调、风扇等）、电教设备等方面和领域。
1.1课题背景及意义
直流电机具有良好的机械性能，线性特性以及宽广的调速范围。由于它的启动转矩大，控制线路简单，在伺服系统和换向装置中得到了广泛应用，已经成为工业生产中不可或缺的一部分。然而，机械电刷和换向器由于强迫性接触，导致其结构复杂、可靠性差，容易造成接触电阻的变化，易产生火花、噪音等问题，影响直流电机的速度和性能，所以人们长期在寻找一个性能更佳的无机械换向的直流电机。
因此，为了满足社会发展的需求，对无刷直流电机控制系统作进一步的研究具有重要意义。无刷直流电机主要由电机本体，电子开关线路以及位置传感器组成。而我们对无刷直流电机的研究也主要集中在这几个方面。对于电机本体的研究主要集中在定子和转子方面，主要就是对绕组的形式和制作材料的研究，需要在无刷直流电机的成本和性能优化之间寻找一个平衡点；在电子开关线路的研究中，使用观测电量代替位置传感器是一个主流趋势，将电势或电流进行适当的采样处理，通过控制电路和正常的逻辑操作来解决电机的换向需求；对于位置传感器则主要集中在传感器的性能研究方面，现在最常用的就是霍尔传感器。
1.2 国内外相关情况研究综述
无刷直流电机比传统的直流电机更具有竞争力，因为它不仅保留了传统的直流电机的诸多优点，还因为其应用领域的不断扩大，赋予了无刷直流电机新的定义。无刷直流电机已从单一的直流电机的电子换向，发展到具有有刷直流电动机外部特征的换向器。随着永磁材料和电力电子技术的不断进步和发展，尤其是高频率、高功率开关器件的应用，使直流无刷电机的控制技术也得到了突破。现在，许多电机控制策略，凭借简单的算法、紧凑的结构、可靠的性能，得到了工业生产的青睐。当然，现代控制技术的发展对电机控制性能的改善，也发挥了不可替代的作用。但随着人们对具有多样性和高精度无刷直流电机需求的不断提高，使无刷直流电机面临着日益严峻的挑战[1]。为了紧跟时代的潮流，实现无刷直流电机控制技术的与时俱进，有必要对其作进一步研究。
1.2.1 有位置传感器的控制方法
该方法是在无刷直流电动机定子上安装位置传感器，来检测转子位置，并且将位置信号传送给控制器，以产生正确的换向信号，信号检测的精度将直接影响电机的正常工作[2][3][4]。位置传感器的种类很多，它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔传感器结构简单、安装方便等特点，日益得到工业生产的青睐。该系统的控制系统构造框图如下所示。
图 1-1 有位置传感器的BLCDM控制系统构造框图
1.2.2 无位置传感器的控制方法
无位置传感器控制方法是指在定子上不直接安装检测转子位置信号的位置传感器，但在实际操作过程中，使电机换向的转子位置信号还是需要的[5][6]。故而，无位置传感器控制研究的核心和关键是设计一个转子位置信号的检测电路，使控制系统可以通过检测电流、电压等物理量，间接获得转子的位置。
图 1-2无位置传感器的BLCDM控制系统结构框图
该控制方法避免了有位置传感器控制方法的一些缺陷，使得它可以在一些极端环境下继续得到应用。如空调压缩机的内部温度超过 ，并且充满了高压制冷剂，这就只能使用无位置传感器的控制方法来解决换向问题。下面介绍两种常见的检测方法:
1.“反电势法”，顾名思义，该方法通过检测转子位置的反电动势信号来判断转子过零点的位置，依据判断方法的不同可以分为以下几类：
（1）反电动势过零检测法
该方法原理是利用绕组的反电动势总是正负交变的，每一个时刻电机的三相绕组中，总有一相绕组未导通，此时检测不导通相的反电势，即可得到反电势信号的过零点。使用该方法，反电动势信号可以代替霍尔传感器的检测信号，完成对电动机相位的控制。虽然，反电动势过零检测法控制线路简单，但也存在较大的干扰，而且由于滤波电路电容的存在，使反电动势信号存在相位滞后的问题。另外，由于虚拟中性点与实际电源中性点的偏差，也对转子位置的检测带来了一定的影响。而且，无刷直流电机在低速运行时，由于反电动势过小，对检测技术也带来一定的挑战，所以该检测方法不适合在低速条件下运行。
摘 要
本文首先介绍了无刷直流电机的研究情况及发展趋势,对BLDCM的工作原理做了详尽剖析,且在此基础上介绍了无位置传感器无刷直流电机的转子位置检测方法,并对反电动势检测法做了详细介绍。其次,本文对无刷直流电机常见的两种反电动势控制法进行了比较,结合它们设计的特点，设计了本系统的反电势过零检测电路。该方法将检测到的位置信号传递给DSP，控制器将处理后的信号传递给驱动芯片,实现对电子开关电路的控制，从而控制电机的运行。其次,本文设计了以 DSP2812 为核心,由功率驱动电路、电源电路、外部存储器电路、I/O 接口驱动电路、反电动势检测电路、显示电路、保护电路等组成的系统硬件电路，并在此基础上完成了PCB印刷板的设计。最后，根据无刷直流电机的控制系统原理图，进行MATLAB的仿真，对控制系统的性能进行验证。
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关键字:DSP无刷直流电机反电势检测无位置传感器
目 录
1 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2 国内外相关情况研究综述 1
1.2.1 有位置传感器的控制方法 2
1.2.2 无位置传感器的控制方法 2
1.2.3 有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式的比较 4
1.3 论文主要内容及结构安排 4
2无刷直流电机的工作原理和数学模型 6
2.1 无刷直流电机的基本结构 6
2.2 无刷直流电机工作原理 7
2.3 无刷直流电机数学模型 9
2.4 本章小结 11
3无位置传感器反电势过零点检测电路设计 12
3.1 反电势过零检测电路的一般设计方法 12
3.2 反电势过零检测方法分析对比 12
3.3 反电势过零检测电路的设计 14
3.4 本章小结 15
4 控制系统硬件设计 16
4.1 整体控制方案概述 16
4.2 DSP芯片的选型及基本外围电路设计 16
4.2.1 DSP芯片的选型 16
4.2 控制系统基本外围电路设计 18
4.2.1 电源电路的设计 18
4.2.2 时钟电路的设计 18
4.2.3 复位电路的设计 19
4.2.4 JTAG接口电路的设计 19
4.2.5 外扩存储电路的设计 20
4.3主电路的设计 21
4.3.1 MOSFET功率管的选择 21
4.3.2 逆变电路设计 22
4.3.3 驱动芯片的选型 23
4.3.4 驱动电路的设计 24
4.4 显示电路的设计 25
4.4.1 显示驱动芯片的选择 25
4.4.2 显示电路的设计 26
4.5 串口通信电路的设计 27
4.6 保护电路的设计 27
4.7 本章小结 28
5 控制系统仿真 29
5.1 仿真工具简介 29
5.2 控制系统的仿真模型 29
5.2.1 电机本体模型 31
5.2.2 逆变电路模型 31
5.2.3 PWM驱动模型 31
5.2.4 反电动势模型 32
5.3仿真结果与分析 32
5.4 本章小结 34
6 全文总结 35
参考文献 36
附录1 控制系统原理图 37
附录2 控制系统PCB板 41
致谢 43
1 绪论
随着时代的变迁，科技的发展，功率半导体技术和高性能磁性材料制造技术的应用，使直流电机成功的实现了从有刷到无刷的跨越。无刷电机不仅保留了直流电机的长处，还兼具交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等特点。此后，无刷直流电机以惊人的速度得到发展和推广。自从1962年以来，特别是近二十年的发展，无刷直流电动机已广泛应用于计算机外围设备（如软盘，硬盘，光盘等）、办公设备（打印机，复印机，扫描仪等）、家用电器（如空调、风扇等）、电教设备等方面和领域。
1.1课题背景及意义
直流电机具有良好的机械性能，线性特性以及宽广的调速范围。由于它的启动转矩大，控制线路简单，在伺服系统和换向装置中得到了广泛应用，已经成为工业生产中不可或缺的一部分。然而，机械电刷和换向器由于强迫性接触，导致其结构复杂、可靠性差，容易造成接触电阻的变化，易产生火花、噪音等问题，影响直流电机的速度和性能，所以人们长期在寻找一个性能更佳的无机械换向的直流电机。
因此，为了满足社会发展的需求，对无刷直流电机控制系统作进一步的研究具有重要意义。无刷直流电机主要由电机本体，电子开关线路以及位置传感器组成。而我们对无刷直流电机的研究也主要集中在这几个方面。对于电机本体的研究主要集中在定子和转子方面，主要就是对绕组的形式和制作材料的研究，需要在无刷直流电机的成本和性能优化之间寻找一个平衡点；在电子开关线路的研究中，使用观测电量代替位置传感器是一个主流趋势，将电势或电流进行适当的采样处理，通过控制电路和正常的逻辑操作来解决电机的换向需求；对于位置传感器则主要集中在传感器的性能研究方面，现在最常用的就是霍尔传感器。
1.2 国内外相关情况研究综述
无刷直流电机比传统的直流电机更具有竞争力，因为它不仅保留了传统的直流电机的诸多优点，还因为其应用领域的不断扩大，赋予了无刷直流电机新的定义。无刷直流电机已从单一的直流电机的电子换向，发展到具有有刷直流电动机外部特征的换向器。随着永磁材料和电力电子技术的不断进步和发展，尤其是高频率、高功率开关器件的应用，使直流无刷电机的控制技术也得到了突破。现在，许多电机控制策略，凭借简单的算法、紧凑的结构、可靠的性能，得到了工业生产的青睐。当然，现代控制技术的发展对电机控制性能的改善，也发挥了不可替代的作用。但随着人们对具有多样性和高精度无刷直流电机需求的不断提高，使无刷直流电机面临着日益严峻的挑战[1]。为了紧跟时代的潮流，实现无刷直流电机控制技术的与时俱进，有必要对其作进一步研究。
1.2.1 有位置传感器的控制方法
该方法是在无刷直流电动机定子上安装位置传感器，来检测转子位置，并且将位置信号传送给控制器，以产生正确的换向信号，信号检测的精度将直接影响电机的正常工作[2][3][4]。位置传感器的种类很多，它们各具特点，然而由于磁敏式霍尔传感器结构简单、安装方便等特点，日益得到工业生产的青睐。该系统的控制系统构造框图如下所示。
图 1-1 有位置传感器的BLCDM控制系统构造框图
1.2.2 无位置传感器的控制方法
无位置传感器控制方法是指在定子上不直接安装检测转子位置信号的位置传感器，但在实际操作过程中，使电机换向的转子位置信号还是需要的[5][6]。故而，无位置传感器控制研究的核心和关键是设计一个转子位置信号的检测电路，使控制系统可以通过检测电流、电压等物理量，间接获得转子的位置。
图 1-2无位置传感器的BLCDM控制系统结构框图
该控制方法避免了有位置传感器控制方法的一些缺陷，使得它可以在一些极端环境下继续得到应用。如空调压缩机的内部温度超过 ，并且充满了高压制冷剂，这就只能使用无位置传感器的控制方法来解决换向问题。下面介绍两种常见的检测方法:
1.“反电势法”，顾名思义，该方法通过检测转子位置的反电动势信号来判断转子过零点的位置，依据判断方法的不同可以分为以下几类：
（1）反电动势过零检测法
该方法原理是利用绕组的反电动势总是正负交变的，每一个时刻电机的三相绕组中，总有一相绕组未导通，此时检测不导通相的反电势，即可得到反电势信号的过零点。使用该方法，反电动势信号可以代替霍尔传感器的检测信号，完成对电动机相位的控制。虽然，反电动势过零检测法控制线路简单，但也存在较大的干扰，而且由于滤波电路电容的存在，使反电动势信号存在相位滞后的问题。另外，由于虚拟中性点与实际电源中性点的偏差，也对转子位置的检测带来了一定的影响。而且，无刷直流电机在低速运行时，由于反电动势过小，对检测技术也带来一定的挑战，所以该检测方法不适合在低速条件下运行。
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